WO2014173720A1 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

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WO2014173720A1
WO2014173720A1 PCT/EP2014/057534 EP2014057534W WO2014173720A1 WO 2014173720 A1 WO2014173720 A1 WO 2014173720A1 EP 2014057534 W EP2014057534 W EP 2014057534W WO 2014173720 A1 WO2014173720 A1 WO 2014173720A1
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WO
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light
scattering
optoelectronic
wavelength
semiconductor chip
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/057534
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christopher KÖLPER
Carola Diez
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0091—Scattering means in or on the semiconductor body or semiconductor body package
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50—Wavelength conversion elements

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic component according to claim 1.
  • optoelectronic components to produce that emit white light during operation.
  • optoelectronic components has optoelectronic ⁇ African semiconductor chips, such as light-emitting diode chips (LED chips), which are adapted to emit light with a Wel ⁇ lenmother from the blue spectral range.
  • a wavelength-converting element is also provided which has a phosphor. The wavelength converting element absorbs a majority of the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip with a wavelength from the blue
  • Spectral range and in turn emits light with a longer wavelength, such as light with a wavelength from the yellow or orange spectral range.
  • the light generated in the wavelength-converting element mixes with the remaining light having a wavelength from the blue spectral range.
  • the mixed light of different wavelengths appears as white light with a desired correlated color temperature.
  • optoelectronic devices emit white light.
  • optoelectronic components appear yellowish from the outside, since a blue spectral component of a light incident from outside on the wavelength-converting element of the optoelectronic component is emitted through the wavelength-converting element partially converted into light of another wavelength, for example yellow light.
  • the light reflected by the optoelectronic component thereby has a higher yellow component than the remaining ambient light.
  • the light scattering element typically has in this case light scattering particles ⁇ with radii between 100 nm and 2000 nm.
  • the light-diffusing element diffuses from the outside to the optoe ⁇ lectronic component incident ambient light partly before it reaches the wavelength converting element. As a result, only a smaller proportion of the blue light component is converted into yellow light and the optoelectronic component appears less yellowish.
  • An object of the present invention is to provide an optoelectronic device. This object is achieved by an optoelectronic component with the features of claim 1. In the dependent claims various developments are given.
  • An optoelectronic component comprises an optoelectronic ⁇ African semiconductor chip, one above the optoelectronic
  • Semiconductor chip arranged converter element which is formed ⁇ to convert a wavelength of a light emitted from the optoelectronic semiconductor chip emitted light, and a light-scattering element arranged over the converter element, the embedded light-scattering particles.
  • the light scattering particles on a size distribution with a half value width of less than 100 nm.
  • the light-scattering element of the opto ⁇ lektronischen device is formed by scattering light waves ⁇ length-dependent.
  • the scattering of light is carried out according to the Mie theory of the light-scattering particles of the light-scattering element.
  • the scattering cross-section and the Win ⁇ kelver whatsoever of the scattered light depend on the size of the light scattering particles and the wavelength of light.
  • the sizes of the light scattering particles of light diffusing element soft because of the short half-width of the large ⁇ size distribution of the light scattering particles only to a small extent from each other.
  • the dependence of the scattering cross section of the wavelength of light advantageously not averaged out over the whole of the light scattering particles of light-scattering ⁇ element. Rather, the light-scattering element as a whole has wavelength-dependent
  • light having a wavelength from the blue Spekt ⁇ ral Scheme by the light diffusing element is advantageously scattered more than light having a wavelength in the yellow spectral range.
  • a blue spectral component of an ambient light is advantageously prevented from penetrating to the converter element of the optoelectronic component, which also prevents a conversion of the blue light component of the ambient light into yellow light.
  • yellow light can penetrate the light-scattering element and only undergoes scattering to a lesser extent.
  • the optoelectronic component can advantageously have a high efficiency during operation, while it gives only a slight yellowish impression when switched off.
  • the light scattering particles of the light diffusing member have a size distribution with a half width of less than 50 nm, preferably a size distribution with a half ⁇ value width of less than 20 nm.
  • a size distribution with a half ⁇ value width of less than 20 nm is advantageously, subject to the wavelength dependence of the scattering on the light-scattering particles of the Light scattering element characterized a particularly low averaging, whereby the scattering properties of the light-scattering element as a whole has a particularly pronounced wavelength dependence.
  • the light scattering particles have an average radius between 30 nm and 200 nm, preferably a-average through ⁇ radius between 40 nm and 150 nm, particularly preferably an average radius between 40 nm and 100 nm.
  • the light-scattering particles Ti0 2 , Al 2 O 3 , S1 3 N 4 , AlN, GaN, ZnO or a glass.
  • the material of the light scattering particle has characterized a refractive index n, which is greater than a refractive index n of the material of a matrix of light- ⁇ scattering element, in which the light scattering particles are embedded.
  • the light-scattering element has an optically transparent element Material, wherein the light-scattering particles are embedded in the optically transparent material.
  • the light-scattering particles are embedded in the optically transparent material.
  • the light-scattering element comprises silicone.
  • silicone is optically largely transparent and has a low refractive index.
  • silicone can advantageously be processed easily, whereby the optoelectronic component is simple and inexpensive to produce.
  • the light-scattering element has a thickness of between 5 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the light-scattering element then effects a sufficient shielding of the converter element from outside incident light having a wavelength from the blue spectral range.
  • the converter element has an embedded phosphor.
  • the phosphor embedded in the converter element can absorb light emitted by the optoelectronic semiconductor chip and emit light with a different wavelength.
  • the phosphor embedded in the converter element causes wavelength conversion.
  • the optoelectronic semiconductor chip is designed to emit light having a wavelength between 400 nm and 500 nm.
  • the optoelectronic semiconductor chip may be based on the indium-gallium-nitride material system.
  • light with a wavelength between 400 nm and 500 nm are converted by the converter element into light having a larger wavelength.
  • differently colored light can be generated from the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip.
  • the converter element is designed to convert light emitted by the optoelectronic semiconductor chip into light having a wavelength between 500 nm and 800 nm.
  • Semiconductor chip emitted light white light with a desired correlated color temperature.
  • the optoelectronic semiconductor chip is a light-emitting diode chip.
  • the optoelectronic component is then a Leuchtdio ⁇ the device.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a optoe ⁇ lektronischen device
  • Figure 2 is a size distribution diagram of a size of light scattering particles
  • FIG. 3 shows a backscatter diagram of a particle size-dependent profile of a backscatter cross section
  • FIG. 4 shows a scattergram of a particle size-dependent profile of a scattering cross section
  • FIG. 5 shows a scattering ratio diagram of a particle size-dependent scattering cross section ratio of different wavelengths relative to one another and
  • FIG. 5 shows a scattering ratio diagram of a particle size-dependent scattering cross section ratio of different wavelengths relative to one another
  • FIG. 6 shows an efficiency diagram for illustrating a relationship between a color impression and an efficiency of the optoelectronic component.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an optoelectronic component 100.
  • the optoelectronic component 100 may be, for example, a light-emitting diode component.
  • the optoelectronic device 100 is intended to emit white light, so light having a he knows ⁇ translucent spectral composition with a predetermined correlated color temperature (CCT).
  • CCT correlated color temperature
  • the optoelectronic component 100 has an upper side 101 and a lower side 102 opposite the upper side 101.
  • the lower side 102 of the optoelectronic component 100 is formed by a carrier 110.
  • the support 110 can, not shown in Figure 1, electrical connection elements of the opto-electronic ⁇ African component 100, for example, solder pads, and other electrical lines have.
  • the optoelectronic semiconductor chip 130 has an upper side 131 and an underside 132 opposite the upper side 131.
  • Bottom side 132 of the optoelectronic semiconductor chip 130 faces the carrier 110.
  • electrical contact surfaces of the optoelectronic semiconductor chip 130 may be arranged, which are in electrically conductive connection with corresponding contact points of the carrier 110.
  • the carrier 110 in this case provides electrically conductive connections between electrical connection elements of the optoelectronic component 100 and the electrical contact surfaces of the optoelectronic semiconductor chip 130 ago.
  • the optoelectronic semiconductor chip 130 is designed to emit electromagnetic radiation at its upper side 131.
  • the optoelectronic semiconductor chip 130 may in particular be designed to emit electromagnetic radiation having a wavelength from the visible spectral range, ie visible light.
  • the optoelectronic semiconductor chip 130 may be configured to emit light having a wavelength from the blue spectral range.
  • the opto-electronic semi-conductor chip ⁇ 130 may be formed to emit light having a wavelength between 400 nm and 500 nm.
  • the optoelectronic semiconductor chip 130 may, for example, be a light-emitting diode chip (LED chip). In this case, the optoelectronic semiconductor chip 130 may, for example, be based on the indium gallium nitride material system (InGaN material system). The optoelectronic semiconductor chip 130 could also be designed as a laser chip.
  • a converter element 140 is arranged above the upper side 131 of the optoelectronic semiconductor chip 130 of the optoelectronic component 100.
  • the converter element 140 has an upper side 141 and an underside 142 opposite the upper side 141.
  • the lower side 142 of the converter element 140 faces the upper side 131 of the optoelectronic semiconductor chip 130.
  • the converter element 140 has an embedded phosphor 143.
  • the phosphor 143 may, for example, be embedded in the converter element 140 in the form of converter particles.
  • the phosphor 143 may be, for example, an organic phosphor or an inorganic phosphor.
  • the phosphor 143 may also have quantum dots.
  • the phosphor 143 embedded in the converter element 140 is designed to transmit light with the light emitted by the optoelectronic element Semiconductor chip 130 emitted wavelength and emit light with a different, typically larger, wavelength. As a result, the phosphor 143 causes wavelength conversion.
  • the phosphor 143 of the converter element 140 may be configured to convert the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip 130 into light having a wavelength from the yellow or orange spectral range.
  • the phosphor 143 of the converter element 140 may be configured to convert the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip 130 into light having a wavelength between 500 nm and 800 nm.
  • the phosphor 143 of the converter element 140 converts a majority of the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip 130 on the upper side 131 into light having a different wavelength.
  • the unconverted remaining residual light of the optoelectronic semiconductor chip 130 and the converted by the phosphor 143 of the convergence ⁇ terelements light 140 interfere with each other so that the mixed light generates a white impression of a desired correlated color temperature.
  • the white mixed light emerges from the converter element 140 of the optoelectronic component 100 at the top side 141.
  • ambient light for example sunlight
  • ambient light often also has a component with the wavelength of the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip 130 during operation of the optoelectronic component 100.
  • the phosphor 143 embedded in the converter element 140 would convert the spectral component of the ambient light with the wavelength of the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip 130, for example the blue one spectral component, absorbing and partially in light of another wavelength, for example in yellow or orange light, convert.
  • the reflected by the converter element 140 light then appeared yellowish compared to the other ambient light. Consequently, the upper side 141 of the converter element 140 of the optoelectronic component 100 would look yellow in the switched-off state of the optoelectronic component 100.
  • the optoelectronic component 100 has a light-scattering element 150.
  • the light-scattering element 150 has an upper side 151 and an underside 152 lying opposite the upper side 151.
  • the underside 152 of the light-scattering element 150 faces the upper side 141 of the Kon ⁇ verterelements 140.
  • the top surface 151 of the light ⁇ diffusive member 150 forms a part of the upper surface 101 of the optoelectronic component 100 intermediate its upper surface 151 and its bottom 152, the light-scattering member 150 has a thickness, which may be for example between 5 ym and 200 ym.
  • the light-diffusing element 150 has a matrix of an optically substantially transparent material. Examples game as the light dispersing member may have 150 silicone on ⁇ . In the matrix of the light-diffusing element 150, light-diffusing particles 153 are embedded. The light-diffusing particles 153 comprise a material having a refractive index (a refractive index) different from the refractive index of the material of the matrix of the light-diffusing element 150. In ⁇ play, the light scattering particles 153 may Ti0 2, Al 2 O 3, S1 3 N 4, A1N, GaN, ZnO or a glass having. The light-scattering particles 153 embedded in the light-scattering element 150 are preferably substantially spherical in shape.
  • the light-scattering element 150 of the optoelectronic component 100 is designed to scatter light which strikes the light-scattering element 150 and passes through the light-scattering element 150.
  • the scattering of the light takes place here on the light-scattering particles 153 embedded in the light-scattering element 150.
  • the light scattering in the light scattering element 150 is dependent on the wavelength of the light. Light having the wavelength of the light emitted from the optoelectronic semiconductor chip 130, for example, light having a wavelength from the blue spectral range, is widely scattered in the light-diffusing element 150.
  • Light having the wavelength of the light emitted by the phosphor 143 of the converter element 140 light for example light having a Wel ⁇ lenide from the yellow or orange spectral range is less strongly scattered in the light scattering element 150th
  • the wavelength-dependent scattering of the light in the light-scattering element 150 causes ambient light falling on the outside of the optoelectronic component 100 to correspond to those spectral components whose wavelength corresponds to the wavelength of the light emitted by the optoelectronic semiconductor chip 130 and which is converted by the phosphor 143 of the converter element 140 would be prevented from advancing to the converter element 140 by the light scattering element 150 by means of strong scattering.
  • the optoelectronic component 100 appears less yellow when viewed from the outside when switched off.
  • the op ⁇ toelektronischen device 100 may by the phosphor 143 of the converter element 140 emitted light, for example light with a wavelength in the yellow or orange spectral range, penetrate the light-scattering element 150 of the optoe ⁇ lektronischen device 100 largely unimpeded by ⁇ , without strongly scattered to become.
  • the light-scattering element 150 of the optoelectronic component 100 causes only a small decrease in the efficiency of the optoelectronic component during operation of the optoelectronic component 100
  • the ge ⁇ formed by the optoelectronic semiconductor chip 130, the converter element 140 and the light diffusing member 150 stack of the optoelectronic component 100 is arranged in a frame 120th The frame closes at the top
  • the frame 120 can be formed, for example, by a potting material into which the stack of the optoelectronic semiconductor chip 130, the converter element 140 and the light-scattering element 150 is cast.
  • an optical lens On the upper side 101 of the optoelectronic component 100, an optical lens, not shown in FIG. 1, may additionally be arranged.
  • the optical lens may also be formed by the light-diffusing element 150.
  • the upper surface 151 of the light-diffusing member may be in play as convex ⁇ 150th
  • the wavelength-dependent scattering properties of the light-diffusing element 150 are based on exploitation of the wavelength dependence of the Mie scattering, as will be explained below.
  • Mie scattering refers to an elastic scattering of electromagnetic waves on spherical objects whose diameter is of the order of the wavelength of the radiation.
  • the scattering cross-section and the Jardinwinkelver ⁇ distribution of the scattered electromagnetic radiation depend upon the diameter of the particles of the refractive indices of the particles and the surrounding medium, the particles and the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • FIG. 2 shows a schematic size distribution diagram 200 for explaining the size distribution of the light-diffusing particles 153 embedded in the light-diffusing element 150.
  • a particle radius 201 in nm is plotted.
  • a relative abundance 202 of the light diffusing particles 153 of a fixed particle radius is plotted in arbitrary units.
  • a size distribution 210 represents an exemplary distribution of the sizes of the light-diffusing particles 153 of the light-diffusing element 150.
  • the size distribution 210 is formed as a narrow peak with a half-value width 211 around a mean particle radius 212 .
  • the mean particle radius 212 is between 30 nm and 200 nm.
  • the mean particle radius is 212 between 40 nm and 150 nm.
  • the mean particle ⁇ radius 212 is between 40 nm and 100 nm. In the depicted in Figure 2.
  • the average Particle radius 212 100 nm.
  • the half value width 211 of the size distribution 210 is less than 100 nm. Preferably, the half value width 211 of the size distribution 210 is even less than 50 nm, more preferably even less than 20 nm. In the example shown in FIG. 2, the half width 211 of the size distribution 210 is even only about 10 nm.
  • the small half-value width 211 of the size distribution 210 of the light-scattering particles 153 of the light-scattering element 150 of the optoelectronic component 100 prevents the wavelength dependence of the scattering cross section and the scattering angle distribution from being eliminated. As a result, the light scattering on the entirety of the light-scattering particles 153 of the light-scattering element 150 of the optoelectronic component 100 has a strong dependence on the wavelength of the scattered light.
  • FIG. 3 shows a schematic backscatter diagram 300 to illustrate this fact.
  • the mean particle radius 212 of the size distribution 210 of the light-scattering particles 153 of the light-scattering element 150 of the optoelectronic component 100 is plotted in ym in a logarithmic representation.
  • a feedback ⁇ scattering cross-section is plotted in logarithmic representation 302nd
  • the backscatter cross section 302 represents a measure of a probability with which light striking the light-scattering element 150 is scattered back against the direction of incidence.
  • the backscatter diagram 300 is for light scattering particles 153 with a size distribution. division 210 with the half-value width 211 shown in FIG.
  • a second backscatter cross-sectional profile 320 represents the dependence of the Backscatter ⁇ cross section 302 of the average particle radius 212 by way of example for incident light having a wavelength of 580 nm, ie for light with a wavelength from the yellow spectral range, is visible.
  • FIG. 4 shows a schematic scattergram 400.
  • the mean particle radius 212 in ym is again plotted in logarithmic representation.
  • a scattering cross section 402 is plotted in logarithmic representation.
  • the scattering cross section 402 represents a measure of the probability of scattering on a light scattering particle 153 as a whole, regardless of the scattering direction.
  • a first scattering cross-sectional profile 410 illustrates the dependence of the scattering cross section 402 on the incident middle light particle radius 212 with an exemplary wavelength of 440 nm.
  • a second scattering cross section 420 illustrates the dependence of the scattering cross section 402 on the mean particle radius 212 of the light scattering particles 153 of the light scattering element 150 exemplary for incident light with a wavelength of 580 nm.
  • the scattering cross section ⁇ gradients 410, 420 are under the same conditions and properties of the light diffusing member 150 as the back-scattering cross-section curves 310, 320 of the back-scatter chart 300 of Figure 3.
  • the scattergram 400 shows that the scattering cross-sections 410, 420 differ significantly from each other over a wide range of the mean particle radius 212.
  • the first scattering cross-section profile 410 runs clearly above the second scattering cross-section profile 420. This means that, with an average particle radius 212 of the light-scattering particles 153 of the light-scattering element 150 from the middle particle radius region 301, the probability of scattering for light with a wavelength of 440 nm, ie for blue light, is significantly larger than for light with a wavelength of 580 nm, ie for yellow light.
  • both scatter cross-sectional curves 410, 420 drop sharply, so that the scattering probability drops sharply overall.
  • both scatter cross-sections 410, 420 approach a common limit value.
  • FIG. 1 On a horizontal axis of the Streu conducteddia ⁇ program 500 of the mean particle radius 212 of the light-scattering particles ⁇ 153 of the light-scattering member 150 is plotted in logarithmic representation in ym. On a vertical axis of the scattering ratio diagram 500, a scattering cross section ratio 502 is plotted in logarithmic representation.
  • a first scattering cross-section ratio curve 510 represents the ratio of the first scattering cross-section ratio curve 410 to the second scattering cross-section ratio profile 420 of the scattering diagram 400.
  • a backscatter cross-sectional relationship 520 indicates the ratio of the first backscatter cross-sectional profile 310 to the second backscatter cross section 320 of the return scatter ⁇ graph 300 again.
  • the scattering cross section ratio curve 510 extends average particle Radius portion 301 of the mean particle radius 212 of the light scattering particles 153 of the light-scattering member 150 significantly above the value 1, the first scattering cross ⁇ sectional profile 410 can be seen, therefore, greater than the second scattering cross ⁇ Section 420 is.
  • FIG. 6 shows a schematic efficiency diagram 600 to illustrate this possibility.
  • a color deviation 601 in ACxCy is plotted on a horizontal axis of the efficiency diagram 600.
  • the efficiency of the plot 600 is an optical efficiency in 602 chromatography (90 °), normalized to the Efficiency of a reference component without diffusing element supported on ⁇ .
  • the horizontal axis indicates the size of the color deviation ⁇ 601 of the optoelectronic component 100 is switched in the OFF state of a white appearance. A smaller value, that is, a point farther left in the efficiency diagram 600, is prefers.
  • the vertical axis of the efficiency diagram 600 indicates how large the optical efficiency of the optoelectronic component 100 is.
  • a number of conventional property ratios 610 represent combinations of values of color variation 601 and optical efficiency 602 that can be achieved with an optoelectronic device having a light scattering element with embedded light scattering particles having a very broad size distribution.
  • the light-scattering particles have sizes between 100 nm and 2000 nm. If the density of the light-diffusing particles embedded in the light-diffusing element or the thickness of the light-diffusing element is increased, the color deviation 601 but also the optical efficiency 602 are reduced.
  • Property ratios 611 to 621 indicate combinations of the values of color deviations 601 and optical efficiency 602 that can be obtained in the optoelectronic device 100 including the light scattering element 150 having the light distribution particle 153 having the size distribution 210 of the low half width 211.
  • the density of the phosphor 143 embedded in the converter element 140 is adjusted such that the light emitted during operation of the optoelectronic component 100 has the same correlated color temperature of approximately 5500 K as the optoelectronic components the conventional property ratios 610.
  • a first property ratio 611 is established at an average particle radius 212 of 30 nm.
  • a second property ratio 612 is established at an average particle radius 212 of 40 nm.
  • a third property ⁇ relationship 613 is established at an average particle radius of 50 212 nm.
  • a fourth property ratio 614 is set at an average particle radius 212 of 60 nm.
  • a fifth property ratio 615 turns out to be a middle one Particle radius 212 of 70 nm.
  • a sixth property ⁇ relationship 616 turns nmein with an average particle radius 212 of 80 s.
  • a seventh property ratio 617 adjusts at an average particle radius 212 of 90 nm.
  • An eighth property ratio 618 sets at an average particle radius 212 of 100 nm.
  • a ninth property ⁇ relationship 619 is established at an average particle radius of 212 120 nm.
  • a tenth property ratio 620 adjusts at an average particle radius 212 of 150 nm.
  • An eleventh aspect ratio 621 adjusts at an average particle radius 212 of 200 nm.
  • the efficiency diagram 600 shows that at an average particle radius 212 embedded in the light diffusing member 150 of the optoelectronic component 100 light scattering particles 153 of up to 30 nm (first Eigenschaftsver ⁇ ratio 611) the values of the optical efficiency 602 and the color deviation 601 approach the conventional property ratios 610, since in light scattering particles 153 with such a small average particle radius 212 light of all wavelengths is scattered only with a small scattering cross section 402.
  • the values of the optical efficiency 602 and the color deviation 601 also approximate the conventional property ratios 610, since the scattering cross section ratio curve 510 in this case approaches the limit 1 strives light of all wavelengths so with approximately the same scattering cross section 402 is scattered.

Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement umfasst einen optoelektronischen Halbleiterchip, ein über dem optoelektronischen Halbleiterchip angeordnetes Konverterelement, das dazu ausgebildet ist, eine Wellenlänge eines von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittierten Lichts zu konvertieren, und ein über dem Konverterelement angeordnetes lichtstreuendes Element, das eingebettete lichtstreuende Partikel aufweist. Die lichtstreuenden Partikel weisen eine Größenverteilung mit einer Halbwertbreite von weniger als 100 nm auf.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2013 207 460.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, optoelektronische Bauelemente, beispielsweise
Leuchtdioden-Bauelemente, herzustellen, die im Betrieb weißes Licht emittieren. Ein Typ zur Emission von weißem Licht vorgesehener optoelektronischer Bauelemente weist optoelektro¬ nische Halbleiterchips, beispielsweise Leuchtdioden-Chips (LED-Chips) , auf, die ausgebildet sind, Licht mit einer Wel¬ lenlänge aus dem blauen Spektralbereich zu emittieren. Bei diesen optoelektronischen Bauelementen ist außerdem ein wellenlängenkonvertierendes Element vorgesehen, das einen Leuchtstoff aufweist. Das wellenlängenkonvertierende Element absorbiert einen Großteil des durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierten Lichts mit einer Wellenlänge aus dem blauen
Spektralbereich und emittiert seinerseits Licht mit einer größeren Wellenlänge, beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben oder orangen Spektralbereich. Das im wellen- längenkonvertierenden Element erzeugte Licht vermischt sich mit dem verbleibenden Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich. Das gemischte Licht unterschiedlicher Wellenlängen erscheint als weißes Licht mit einer gewünschten korrelierten Farbtemperatur. Im Betrieb emittieren derartige optoelektronische Bauelemente weißes Licht. Im abgeschalteten Zustand erscheinen solche optoelektronischen Bauelemente von außen allerdings gelblich, da ein blauer Spektralanteil eines von außen auf das wellenlängenkonvertierende Element des optoelektronischen Bauelements fallenden Lichts durch das wellenlängenkonvertierende Element teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge, beispielsweise in gelbes Licht, konvertiert wird. Das von dem optoelektronischen Bauelement reflektierte Licht weist dadurch einen höheren Gelbanteil auf als das übrige Umgebungslicht.
Es ist bekannt, das gelbliche Aussehen derartiger optoe¬ lektronischer Bauelemente im abgeschalteten Zustand durch Vorsehen eines lichtstreuenden Elements an der Außenseite des wellenlängenkonvertierenden Elements zu reduzieren. Das lichtstreuende Element weist dabei typischerweise licht¬ streuende Partikel mit Radien zwischen 100 nm und 2000 nm auf. Das lichtstreuende Element streut von außen auf das optoe¬ lektronische Bauelement auftreffendes Umgebungslicht teilweise zurück, bevor dieses das wellenlängenkonvertierende Element erreicht. Dadurch wird nur ein geringerer Anteil des blauen Lichtanteils in gelbes Licht gewandelt und das optoelektronische Bauelement erscheint weniger gelblich. Allerdings wird durch das lichtstreuende Element auch im Betrieb des optoelektronischen Bauelements durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht teilweise zurückgestreut, so dass die Ef¬ fizienz des optoelektronischen Bauelements sinkt. Eine stärkere Reduzierung des Gelbeindrucks des abgeschalteten optoe¬ lektronischen Bauelements geht dabei auch mit einer stärkeren Reduzierung der Effizienz des optoelektronischen Bauelements einher .
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein optoelektronisches Bauelement umfasst einen optoelektro¬ nischen Halbleiterchip, ein über dem optoelektronischen
Halbleiterchip angeordnetes Konverterelement, das dazu aus¬ gebildet ist, eine Wellenlänge eines von dem optoelektronischen Halbeiterchip emittierten Lichts zu konvertieren, und ein über dem Konverterelement angeordnetes lichtstreuendes Element, das eingebettete lichtstreuende Partikel aufweist. Dabei weisen die lichtstreuenden Partikel eine Größenverteilung mit einer Halbwertbreite von weniger als 100 nm auf.
Vorteilhafterweise ist das lichtstreuende Element des optoe¬ lektronischen Bauelements dadurch ausgebildet, Licht wellen¬ längenabhängig zu streuen. Die Streuung von Licht erfolgt dabei gemäß der Mie-Theorie an den lichtstreuenden Partikeln des lichtstreuenden Elements. Der Streuquerschnitt und die Win¬ kelverteilung des gestreuten Lichts hängen dabei von der Größe der lichtstreuenden Partikel und der Wellenlänge des Lichts ab. Die Größen der lichtstreuenden Partikel des lichtstreuenden Elements weichen wegen der geringen Halbwertbreite der Grö¬ ßenverteilung der lichtstreuenden Partikel nur in geringem Maß voneinander ab. Dadurch wird die Abhängigkeit des Streuquerschnitts von der Wellenlänge des Lichts vorteilhafterweise nicht über die Gesamtheit der lichtstreuenden Partikel des licht¬ streuenden Elements herausgemittelt . Vielmehr weist das lichtstreuende Element als Ganzes wellenlängenabhängige
Streueigenschaften auf.
Dabei wird Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spekt¬ ralbereich durch das lichtstreuende Element vorteilhafterweise stärker gestreut als Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich. Dadurch wird ein blauer Spektralanteil eines Umgebungslichts vorteilhafterweise an einem Vordringen zu dem Konverterelement des optoelektronischen Bauelements gehindert, wodurch auch eine Konversion des blauen Lichtanteils des Umgebungslichts in gelbes Licht verhindert wird. Gelbes Licht hingegen kann das lichtstreuende Element durchdringen und erfährt dabei nur in geringerem Maße eine Streuung. Dadurch kann auch gelbes Licht, das im Betrieb des optoelektronischen Bauelements im Konverterelement aus von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertem Licht erzeugt worden ist, das lichtstreuende Element weitgehend ungehindert durchdringen, wodurch ein Effizienzverlust des optoelektronischen Bauelements vermieden wird. Hierdurch kann das optoelektronische Bauelement im Betrieb vorteilhafterweise eine hohe Effizienz aufweisen, während es im ausgeschalteten Zustand nur in geringem Maße einen gelblichen Eindruck vermittelt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weisen die lichtstreuenden Partikel des lichtstreuenden Elements eine Größenverteilung mit einer Halbwertbreite von weniger als 50 nm auf, bevorzugt eine Größenverteilung mit einer Halb¬ wertbreite von weniger als 20 nm. Vorteilhafterweise unterliegt die Wellenlängenabhängigkeit der Streuung an den lichtstreuenden Partikeln des lichtstreuenden Elements dadurch einer besonders geringen Mittelung, wodurch die Streueigenschaften des lichtstreuenden Elements als Ganzes eine besonders deutlich ausgeprägte Wellenlängenabhängigkeit aufweist.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weisen die lichtstreuenden Partikel einen durchschnittlichen Radius zwischen 30 nm und 200 nm auf, bevorzugt einen durch¬ schnittlichen Radius zwischen 40 nm und 150 nm, besonders bevorzugt einen durchschnittlichen Radius zwischen 40 nm und 100 nm. Vorteilhafterweise streut das lichtstreuende Element des optoelektronischen Bauelements Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich dann mit wesentlich größerem
Streuquerschnitt als Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich. Dadurch kann Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich das lichtstreuende Element weitgehend ungehindert durchdringen, während das lichtstreuende Element Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich stark streut .
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weisen die lichtstreuenden Partikel Ti02, AI2O3, S13N4, A1N, GaN, ZnO oder ein Glas auf. Vorteilhafterweise besitzt das Material der lichtstreuenden Partikel dadurch eine Brechzahl n, die größer als eine Brechzahl n des Materials einer Matrix des licht¬ streuenden Elements ist, in die die lichtstreuenden Partikel eingebettet sind.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das lichtstreuende Element ein optisch transparentes Material auf, wobei die lichtstreuenden Partikel in das optisch transparente Material eingebettet sind. Vorteilhafterweise erfolgt dann keine oder nur eine geringe Absorption von Licht an dem optisch transparenten Material des lichtstreuenden Elements, wodurch eine Reduzierung der Effizienz des optoelektronischen Bauelements vorteilhafterweise verhindert wird.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das lichtstreuende Element Silikon auf. Vorteilhafterweise ist Silikon optisch weitgehend transparent und weist eine niedrige Brechzahl auf. Außerdem lässt sich Silikon vorteilhafterweise einfach verarbeiten, wodurch das optoelektronische Bauelement einfach und kostengünstig herstellbar ist.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das lichtstreuende Element eine Dicke zwischen 5 ym und 200 ym auf. Vorteilhafterweise bewirkt das lichtstreuende Element dann eine ausreichende Abschirmung des Konverterelements vor von außen einfallendem Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist das Konverterelement einen eingebetteten Leuchtstoff auf. Vorteilhafterweise kann der in das Konverterelement eingebettete Leuchtstoff von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht absorbieren und Licht mit einer anderen Wellenlänge emittieren. Dadurch bewirkt der in das Konverterelement eingebettete Leuchtstoff eine Wellenlängenkonversion. Durch Mischung des von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittierten Lichts mit dem von dem Leuchtstoff des Konverterelements emittierten Licht kann sich weißes Licht mit einer gewünschten korrelierten Farbtemperatur ergeben.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der optoelektronische Halbleiterchip ausgebildet, Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 500 nm zu emittieren. Beispielsweise kann der optoelektronische Halbleiterchip auf dem Indium-Gallium-Nitrid-Materialsystem basieren. Vorteilhafterweise kann Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 500 nm durch das Konverterelement in Licht mit einer größeren Wellenlänge konvertiert werden. Dadurch lässt sich aus dem durch den optoelektronischen Halbleiterchip emittierten Licht andersfarbiges Licht erzeugen. In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das Konverterelement ausgebildet, von dem optoelektronischen Halbleiterchip emittiertes Licht in Licht mit einer Wellenlänge zwischen 500 nm und 800 nm zu konvertieren. Vorteilhafterweise ergibt eine Mischung des durch das Konverterelement erzeugten Lichts mit einem Anteil des durch den optoelektronischen
Halbleiterchip emittierten Lichts weißes Licht mit einer gewünschten korrelierten Farbtemperatur.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der optoelektronische Halbleiterchip ein Leuchtdiodenchip. Das optoelektronische Bauelement ist dann ein Leuchtdio¬ den-Bauelement .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines optoe¬ lektronischen Bauelements; Figur 2 ein Größenverteilungsdiagramm einer Größe lichtstreuender Partikel;
Figur 3 ein Rückstreudiagramm eines partikelgrößenabhängigen Verlaufs eines Rückstreuquerschnitts;
Figur 4 ein Streudiagramm eines partikelgrößenabhängigen Verlaufs eines Streuquerschnitts; Figur 5 ein Streuverhältnisdiagramm eines partikelgrößenab- hängigen Streuquerschnittverhältnisses unterschiedlicher Wellenlängen zueinander und
Figur 6 ein Effizienzdiagramm zur Darstellung eines Zusam- menhangs zwischen einem Farbeindruck und einer Effizienz des optoelektronischen Bauelements.
Figur 1 zeigt eine schematisierte Schnittdarstellung eines optoelektronischen Bauelements 100. Das optoelektronische Bauelement 100 kann beispielsweise ein Leuchtdioden-Bauelement sein. Das optoelektronische Bauelement 100 ist dazu vorgesehen, weißes Licht zu emittieren, also Licht mit einer weiß er¬ scheinenden spektralen Zusammensetzung mit einer festgelegten korrelierten Farbtemperatur (CCT) .
Das optoelektronische Bauelement 100 weist eine Oberseite 101 und eine der Oberseite 101 gegenüberliegende Unterseite 102 auf. Die Unterseite 102 des optoelektronischen Bauelements 100 wird durch einen Träger 110 gebildet. Der Träger 110 kann, in Figur 1 nicht dargestellte, elektrische Anschlusselemente des optoelektro¬ nischen Bauelements 100, beispielsweise Lötkontaktflächen, und andere elektrische Leitungen aufweisen.
Auf einer der Unterseite 102 des optoelektronischen Bauelements 100 abgewandten Oberseite des Trägers 110 ist ein optoe¬ lektronischer Halbleiterchip 130 angeordnet. Der optoelektronische Halbleiterchip 130 weist eine Oberseite 131 und eine der Oberseite 131 gegenüberliegende Unterseite 132 auf. Die
Unterseite 132 des optoelektronischen Halbleiterchips 130 ist dem Träger 110 zugewandt.
An der Unterseite 132 des optoelektronischen Halbleiterchips 130 können elektrische Kontaktflächen des optoelektronischen Halbleiterchips 130 angeordnet sein, die in elektrisch leitender Verbindung mit entsprechenden Kontaktstellen des Trägers 110 stehen. Der Träger 110 stellt in diesem Fall elektrisch leitende Verbindungen zwischen elektrischen Anschlusselementen des optoelektronischen Bauelements 100 und den elektrischen Kontaktflächen des optoelektronischen Halbleiterchips 130 her.
Der optoelektronische Halbleiterchip 130 ist dazu ausgebildet, an seiner Oberseite 131 elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Der optoelektronische Halbleiterchip 130 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektralbereich, also sichtbares Licht, zu emittieren. Insbesondere kann der optoelektronische Halbleiterchip 130 dazu ausgebildet sein, Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich zu emittieren. Beispielsweise kann der optoelektronische Halb¬ leiterchip 130 ausgebildet sein, Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 500 nm zu emittieren.
Der optoelektronische Halbleiterchip 130 kann beispielsweise ein Leuchtdiodenchip (LED-Chip) sein. In diesem Fall kann der optoelektronische Halbleiterchip 130 beispielsweise auf dem Indium-Gallium-Nitrid-MaterialSystem ( InGaN-MaterialSystem) basieren. Der optoelektronische Halbleiterchip 130 könnte aber auch als Laserchip ausgebildet sein. Über der Oberseite 131 des optoelektronischen Halbleiterchips 130 des optoelektronischen Bauelements 100 ist ein Konverterelement 140 angeordnet. Das Konverterelement 140 weist eine Oberseite 141 und eine der Oberseite 141 gegenüberliegende Unterseite 142 auf. Die Unterseite 142 des Konverterelements 140 ist der Oberseite 131 des optoelektronischen Halbleiterchips 130 zugewandt .
Das Konverterelement 140 weist einen eingebetteten Leuchtstoff 143 auf. Der Leuchtstoff 143 kann beispielsweise in Form von Konverterpartikeln in das Konverterelement 140 eingebettet sein. Der Leuchtstoff 143 kann beispielsweise ein organischer Leuchtstoff oder ein anorganischer Leuchtstoff sein. Der Leuchtstoff 143 kann auch Quantenpunkte aufweisen.
Der in das Konverterelement 140 eingebettete Leuchtstoff 143 ist dazu ausgebildet, Licht mit der durch den optoelektronischen Halbleiterchip 130 emittierten Wellenlänge zu absorbieren und dafür Licht mit einer anderen, typischerweise größeren, Wellenlänge zu emittieren. Hierdurch bewirkt der Leuchtstoff 143 eine Wellenlängenkonversion. Der Leuchtstoff 143 des Konver- terelements 140 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, das von dem optoelektronischen Halbleiterchip 130 emittierte Licht in Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben oder orangen Spektralbereich zu konvertieren. Beispielsweise kann der Leuchtstoff 143 des Konverterelements 140 dazu ausgebildet sein, das von dem optoelektronischen Halbleiterchip 130 emittierte Licht in Licht mit einer Wellenlänge zwischen 500 nm und 800 nm zu konvertieren.
Im Betrieb des optoelektronischen Bauelements 100 konvertiert der Leuchtstoff 143 des Konverterelements 140 einen Großteil des von dem optoelektronischen Halbleiterchip 130 an der Oberseite 131 emittierten Lichts in Licht mit einer anderen Wellenlänge. Das unkonvertiert bleibende Restlicht des optoelektronischen Halbleiterchips 130 und das vom Leuchtstoff 143 des Konver¬ terelements 140 konvertierte Licht mischen sich derart mit- einander, dass das Mischlicht einen weißen Eindruck mit einer gewünschten korrelierten Farbtemperatur erzeugt. Das weiße Mischlicht tritt an der Oberseite 141 aus dem Konverterelement 140 des optoelektronischen Bauelements 100 aus.
Gewöhnliches Umgebungslicht, beispielsweise Sonnenlicht, weist in der Regel spektrale Anteile unterschiedlicher Wellenlängen auf. So weist Umgebungslicht häufig auch einen Anteil mit der Wellenlänge des von dem optoelektronischen Halbleiterchip 130 im Betrieb des optoelektronischen Bauelements 100 emittierten Lichts auf. Träfe solches Umgebungslicht, beispielsweise im abgeschalteten Zustand des optoelektronischen Bauelements 100, von außen auf das Konverterelement 140, so würde der in das Konverterelement 140 eingebettete Leuchtstoff 143 den spektralen Anteil des Umgebungslichts mit der Wellenlänge des durch den optoelektronischen Halbleiterchip 130 emittierten Lichts, beispielsweise den blauen spektralen Anteil, absorbieren und teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge, beispielsweise in gelbes oder oranges Licht, konvertieren. Das von dem Konverterelement 140 zurückgeworfene Licht erschiene dann gegenüber dem sonstigen Umgebungslicht gelblich. Die Oberseite 141 des Konverterelements 140 des optoelektronischen Bauelements 100 sähe im abgeschalteten Zustand des optoelektronischen Bauelements 100 folglich gelb aus.
Um dies zu vermeiden, weist das optoelektronische Bauelement 100 ein lichtstreuendes Element 150 auf. Das lichtstreuende Element 150 weist eine Oberseite 151 und eine der Oberseite 151 ge- genüberliegende Unterseite 152 auf. Die Unterseite 152 des lichtstreuenden Elements 150 ist der Oberseite 141 des Kon¬ verterelements 140 zugewandt. Die Oberseite 151 des licht¬ streuenden Elements 150 bildet einen Teil der Oberseite 101 des optoelektronischen Bauelements 100. Zwischen seiner Oberseite 151 und seiner Unterseite 152 weist das lichtstreuende Element 150 eine Dicke, die beispielsweise zwischen 5 ym und 200 ym liegen kann.
Das lichtstreuende Element 150 weist eine Matrix aus einem optisch im Wesentlichen transparenten Material auf. Bei- spielsweise kann das lichtstreuende Element 150 Silikon auf¬ weisen. In die Matrix des lichtstreuenden Elements 150 sind lichtstreuende Partikel 153 eingebettet. Die lichtstreuenden Partikel 153 weisen ein Material mit einem Brechungsindex (einer Brechzahl) auf, die sich von dem Brechungsindex des Materials der Matrix des lichtstreuenden Elements 150 unterscheidet. Bei¬ spielsweise können die lichtstreuenden Partikel 153 Ti02, AI2O3, S13N4, A1N, GaN, ZnO oder ein Glas aufweisen. Die in das lichtstreuende Element 150 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 153 sind bevorzugt im Wesentlichen kugelförmig aus- gebildet.
Das lichtstreuende Element 150 des optoelektronischen Bau¬ elements 100 ist dazu ausgebildet, auf das lichtstreuende Element 150 auftreffendes und durch das lichtstreuende Element 150 verlaufendes Licht zu streuen. Die Streuung des Lichts erfolgt dabei an den in das lichtstreuende Element 150 eingebetteten lichtstreuenden Partikeln 153. Die Lichtstreuung im licht- streuenden Element 150 erfolgt abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Licht mit der Wellenlänge des von dem optoelektronischen Halbleiterchip 130 emittierten Lichts, beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, wird im lichtstreuenden Element 150 stark gestreut. Licht mit der Wellenlänge des durch den Leuchtstoff 143 des Konverterelements 140 emittierten Lichts, beispielsweise Licht mit einer Wel¬ lenlänge aus dem gelben oder orangen Spektralbereich, wird im lichtstreuenden Element 150 weniger stark gestreut. Die wellenlängenabhängige Streuung des Lichts im lichtstreuenden Element 150 bewirkt, dass von von außen auf das optoelektronische Bauelement 100 fallendem Umgebungslicht jene spektralen Anteile, deren Wellenlänge der Wellenlänge des von dem optoelektronischen Halbleiterchip 130 emittierten Lichts entspricht, und die durch den Leuchtstoff 143 des Konverterelements 140 konvertiert würden, durch das lichtstreuende Element 150 mittels starker Streuung an einem Vordringen zum Konverterelement 140 gehindert werden. Dadurch wird eine Wellenlängenkonvertierung dieser spektralen Anteile des Umgebungslichts verhindert, wodurch das optoelektronische Bauelement 100 im abgeschalteten Zustand von außen betrachtet weniger gelb erscheint. Im Betrieb des op¬ toelektronischen Bauelements 100 kann durch den Leuchtstoff 143 des Konverterelements 140 emittiertes Licht, beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben oder orangen Spektralbereich, das lichtstreuende Element 150 des optoe¬ lektronischen Bauelements 100 weitgehend ungehindert durch¬ dringen, ohne stark gestreut zu werden. Hierdurch bewirkt das lichtstreuende Element 150 des optoelektronischen Bauelements 100 im Betrieb des optoelektronischen Bauelements 100 nur eine geringe Abnahme der Effizienz des optoelektronischen Bauelements
100.
Der durch den optoelektronischen Halbleiterchip 130, das Konverterelement 140 und das lichtstreuende Element 150 ge¬ bildete Stapel des optoelektronischen Bauelements 100 ist in einem Rahmen 120 angeordnet. Der Rahmen schließt an der Oberseite
101 des optoelektronischen Bauelements 100 im Wesentlichen bündig mit der Oberseite 151 des lichtstreuenden Elements 150 ab. Der Rahmen 120 kann beispielsweise durch ein Vergussmaterial gebildet sein, in das der Stapel aus dem optoelektronischen Halbleiterchip 130, dem Konverterelement 140 und dem licht- streuenden Element 150 eingegossen ist.
An der Oberseite 101 des optoelektronischen Bauelements 100 kann zusätzlich eine in Figur 1 nicht dargestellte optische Linse angeordnet sein. Die optische Linse kann auch durch das lichtstreuende Element 150 gebildet werden. In diesem Fall kann die Oberseite 151 des lichtstreuenden Elements 150 bei¬ spielsweise konvex ausgebildet sein.
Die wellenlängenabhängigen Streueigenschaften des lichtstreuenden Elements 150 basieren auf einer Ausnutzung der Wellenlängenabhängigkeit der Mie-Streuung, wie nachfolgend erläutert wird. Als Mie-Streuung wird eine elastische Streuung elektromagnetischer Wellen an sphärischen Objekten bezeichnet, deren Durchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung liegt. Der Streuquerschnitt und die Raumwinkelver¬ teilung der gestreuten elektromagnetischen Strahlung hängen dabei von dem Durchmesser der Partikel, von den Brechungsindizes der Partikel und des die Partikel umgebenden Mediums und von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ab.
Figur 2 zeigt ein schematisches Größenverteilungsdiagramm 200 zur Erläuterung der Größenverteilung der in das lichtstreuende Element 150 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 153. Auf einer horizontalen Achse des Größenverteilungsdiagramms 200 ist ein Partikelradius 201 in nm aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Größenverteilungsdiagramms 200 ist eine relative Häufigkeit 202 der lichtstreuenden Partikel 153 eines fest- gelegten Partikelradius in willkürlichen Einheiten aufgetragen.
Eine Größenverteilung 210 gibt eine exemplarische Verteilung der Größen der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 wieder. Die Größenverteilung 210 ist als schmaler Peak mit einer Halbwertbreite 211 um einen mittleren Parti- kelradius 212 ausgebildet Der mittlere Partikelradius 212 liegt zwischen 30 nm und 200 nm. Bevorzugt liegt der mittlere Partikelradius 212 zwischen 40 nm und 150 nm. Besonders bevorzugt liegt der mittlere Partikel¬ radius 212 zwischen 40 nm und 100 nm. Im in Figur 2 dargestellten Beispiel beträgt der mittlere Partikelradius 212 100 nm.
Die Halbwertbreite 211 der Größenverteilung 210 beträgt weniger als 100 nm. Bevorzugt beträgt die Halbwertbreite 211 der Größenverteilung 210 sogar weniger als 50 nm, besonders bevorzugt sogar weniger als 20 nm. Im in Figur 2 dargestellten Beispiel liegt die Halbwertbreite 211 der Größenverteilung 210 sogar bei nur etwa 10 nm.
Durch die geringe Halbwertbreite 211 der Größenverteilung 210 der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 des optoelektronischen Bauelements 100 wird verhindert, dass sich die Wellenlängenabhängigkeit des Streuquerschnitts und der Streuwinkelverteilung herausmittelt . Dadurch weist die Lichtstreuung an der Gesamtheit der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 des optoelektronischen Bauelements 100 eine starke Abhängigkeit von der Wellenlänge des gestreuten Lichts auf.
Figur 3 zeigt zur Illustration dieser Tatsache ein schematisches Rückstreudiagramm 300. Auf einer horizontalen Achse des Rückstreudiagramms 300 ist der mittlere Partikelradius 212 der Größenverteilung 210 der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 des optoelektronischen Bauelements 100 in ym in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Rückstreudiagramms 300 ist ein Rück¬ streuquerschnitt 302 in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Der Rückstreuquerschnitt 302 stellt ein Maß für eine Wahrscheinlichkeit dar, mit der auf das lichtstreuende Element 150 auftreffendes Licht entgegen der Einfallsrichtung zurückgestreut wird. Das Rückstreudiagramm 300 stellt die Ver¬ hältnisse exemplarisch für lichtstreuende Partikel 153 mit einem Brechungsindex n = 2,5 dar, die in eine Matrix mit einem Brechungsindex n = 1,4 eingebettet sind. Das Rückstreudiagramm 300 ist für lichtstreuende Partikel 153 mit einer Größenver- teilung 210 mit der in Figur 2 dargestellten Halbwertbreite 211 gültig .
Ein erster Rückstreuquerschnittverlauf 310 stellt die Abhän¬ gigkeit des Rückstreuquerschnitts 302 vom mittleren Parti- kelradius 212 beispielhaft für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 440 nm, also für Licht mit einer Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich, dar. Ein zweiter Rückstreuquerschnittverlauf 320 stellt die Abhängigkeit des Rückstreu¬ querschnitts 302 vom mittleren Partikelradius 212 beispielhaft für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 580 nm, also für Licht mit einer Wellenlänge aus dem gelben Spektralbereich, dar. Erkennbar ist, dass sich der erste Rückstreuquerschnittverlauf 310 und der zweite Rückstreuquerschnittverlauf 320 in einem weiten Bereich des mittleren Partikelradius 212 deutlich voneinander unterscheiden. Dies gilt insbesondere in einem mittleren Partikelradiusbereich 301 von 40 nm bis 150 nm. Bei noch kleinerem mittlerem Partikelradius 212 fallen beide Rückstreuquerschnittverläufe 310, 320 stark ab, sinkt also die Streuwahrscheinlichkeit insgesamt stark ab. Bei größerem mittleren Partikelradius 212 nähern sich beide Rückstreu¬ querschnittverläufe 310, 320 einem gemeinsamen Grenzwert an.
Figur 4 zeigt ein schematisches Streudiagramm 400. Auf einer horizontalen Achse des Streudiagramms 400 ist wiederum der mittlere Partikelradius 212 in ym in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Auf einer horizontalen Achse des Streudiagramms 400 ist ein Streuquerschnitt 402 in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Der Streuquerschnitt 402 stellt ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Streuung an einem lichtstreuenden Partikel 153 insgesamt dar, unabhängig von der Streurichtung. Ein erster Streuquerschnittverlauf 410 stellt die Abhängigkeit des Streuquerschnitts 402 von dem mittleren Partikelradius 212 für einfallendes Licht mit einer beispielhaften Wellenlänge von 440 nm dar. Ein zweiter Streuquerschnittverlauf 420 stellt die Abhängigkeit des Streuquerschnitts 402 von dem mittleren Partikelradius 212 der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 exemplarisch für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 580 nm dar. Die Streuquerschnitt¬ verläufe 410, 420 gelten unter denselben Bedingungen und Eigenschaften des lichtstreuenden Elements 150 wie die Rück- streuquerschnittverläufe 310, 320 des Rückstreudiagramms 300 der Figur 3.
Das Streudiagramm 400 zeigt, dass die Streuquerschnittverläufe 410, 420 sich in einem breiten Bereich des mittleren Partikelradius 212 deutlich voneinander unterscheiden. Insbesondere in dem mittleren Partikelradiusbereich 301 des mittleren Partikelradius 212 verläuft der erste Streuquerschnittverlauf 410 deutlich über dem zweiten Streuquerschnittverlauf 420. Dies bedeutet, dass bei einem mittleren Partikelradius 212 der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 aus dem mittleren Partikelradiusbereich 301 die Wahrschein- lichkeit einer Streuung für Licht mit einer Wellenlänge von 440 nm, also für blaues Licht, deutlich größer ist als für Licht mit einer Wellenlänge von 580 nm, also für gelbes Licht. Bei sehr kleinem mittleren Partikelradius 212 fallen beide Streuquerschnittverläufe 410, 420 stark ab, sinkt also die Streuwahr- scheinlichkeit insgesamt stark ab. Bei sehr großem mittleren Partikelradius 212 nähern sich beide Streuquerschnittverläufe 410, 420 einem gemeinsamen Grenzwert an.
Dieser Zusammenhang ist deutlicher noch einmal in einem in Figur 5 gezeigten schematischen Streuverhältnisdiagramm 500 darge- stellt. Auf einer horizontalen Achse des Streuverhältnisdia¬ gramms 500 ist der mittlere Partikelradius 212 der licht¬ streuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 in ym in logarithmischer Darstellung aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Streuverhältnisdiagramms 500 ist ein Streuquer- Schnittverhältnis 502 in logarithmischer Darstellung aufgetragen .
Ein erster Streuquerschnittverhältnisverlauf 510 gibt das Verhältnis des ersten Streuquerschnittverhältnisverlaufs 410 zum zweiten Streuquerschnittverhältnisverlauf 420 des Streu- diagramms 400 wieder. Ein Rückstreuquerschnittverhältnisverlauf 520 gibt das Verhältnis des ersten Rückstreuquerschnittverlaufs 310 zum zweiten Rückstreuquerschnittverlauf 320 des Rück¬ streudiagramms 300 wieder.
Aus dem Streuverhältnisdiagramm 500 der Figur 5 ist erkennbar, dass der Streuquerschnittverhältnisverlauf 510 im mittleren Partikelradiusbereich 301 des mittleren Partikelradius 212 der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 deutlich oberhalb des Werts 1 verläuft, der erste Streuquer¬ schnittverlauf 410 also größer als der zweite Streuquer¬ schnittverlauf 420 ist. Dies bedeutet, dass für Licht mit einer Wellenlänge von 440 nm ein größerer Streuquerschnitt 402 besteht als für Licht mit einer Wellenlänge von 580 nm, wenn die lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 eine Größenverteilung 210 mit einem mittleren Partikelradius 212 aus dem mittleren Partikelradiusbereich 301 aufweisen. In diesem Fall kann Licht mit einer Wellenlänge von 580 nm das licht¬ streuende Element 150 im Wesentlichen ungestreut durchdringen, während Licht mit einer Wellenlänge von 440 nm an den licht¬ streuenden Partikeln 153 des lichtstreuenden Elements 150 gestreut wird. Die beschriebene Wellenlängenabhängigkeit des Streuquerschnitts 402 der Mie-Streuung an den lichtstreuenden Partikeln 153 des lichtstreuenden Elements 150 des optoelektronischen Bauelements 100 lässt sich ausnutzen, um ein gelbliches Aussehen des optoelektronischen Bauelements 100 im ausgeschalteten Zustand zu reduzieren, ohne dabei die Effizienz des optoelektronischen Bauelements 100 stark zu verschlechtern.
Figur 6 zeigt zur Illustration dieser Möglichkeit ein sche- matisches Effizienzdiagramm 600. Auf einer horizontalen Achse des Effizienzdiagramms 600 ist eine Farbabweichung 601 in ACxCy aufgetragen. Auf einer vertikalen Achse des Effizienzdiagramms 600 ist eine optische Effizienz 602 in PhiE(90°), normiert auf die Effizienz eines Referenzbauteils ohne Streuelement, auf¬ getragen. Die horizontale Achse gibt an, wie groß die Farb¬ abweichung 601 des optoelektronischen Bauelements 100 im aus- geschalteten Zustand von einem weißen Aussehen ist . Ein kleinerer Wert, also ein Punkt weiter links im Effizienzdiagramm 600, ist bevorzugt. Die vertikale Achse des Effizienzdiagramms 600 gibt an, wie groß die optische Effizienz des optoelektronischen Bauelements 100 ist. Ein höherer Wert, also ein Punkt weiter oben im Effizienzdiagramm 600, ist bevorzugt. Eine Anzahl herkömmlicher Eigenschaftsverhältnisse 610 stellt Kombinationen von Werten der Farbabweichung 601 und der optischen Effizienz 602 dar, die sich mit einem optoelektronischen Bauelement mit einem lichtstreuenden Element mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln mit einer sehr breiten Größenver- teilung erreichen lassen. Die lichtstreuenden Partikel weisen dabei Größen zwischen 100 nm und 2000 nm auf. Wird die Dichte der in das lichtstreuende Element eingebetteten lichtstreuenden Partikel oder die Dicke des lichtstreuenden Elements erhöht, so reduziert sich die Farbabweichung 601, jedoch auch die optische Effizienz 602.
Eigenschaftsverhältnisse 611 bis 621 geben Kombinationen der Werte von Farbabweichungen 601 und optischer Effizienz 602 an, die sich bei dem optoelektronischen Bauelement 100 mit dem lichtstreuenden Element 150 mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln 153 mit der Größenverteilung 210 mit der niedrigen Halbwertbreite 211 erzielen lassen. Der besseren Vergleichbarkeit halber ist bei jedem der Eigenschaftsverhältnisse 611 bis 621 die Dichte des in das Konverterelement 140 eingebetteten Leuchtstoffs 143 so angepasst, dass das im Betrieb des op- toelektronischen Bauelements 100 abgestrahlte Licht dieselbe korrelierte Farbtemperatur von etwa 5500 K aufweist wie die optoelektronischen Bauelemente mit den herkömmlichen Eigenschaftsverhältnissen 610.
Ein erstes Eigenschaftsverhältnis 611 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 30 nm ein. Ein zweites Eigenschaftsverhältnis 612 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 40 nm ein. Ein drittes Eigenschafts¬ verhältnis 613 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 50 nm ein. Ein viertes Eigenschaftsverhältnis 614 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 60 nmein. Ein fünftes Eigenschaftsverhältnis 615 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 70 nm ein. Ein sechstes Eigenschafts¬ verhältnis 616 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 80 nmein. Ein siebtes Eigenschaftsverhältnis 617 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 90 nm ein. Ein achtes Eigenschaftsverhältnis 618 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 100 nm ein. Ein neuntes Eigenschafts¬ verhältnis 619 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 120 nm ein. Ein zehntes Eigenschaftsverhältnis 620 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 150 nm ein. Ein elftes Eigenschaftsverhältnis 621 stellt sich bei einem mittleren Partikelradius 212 von 200 nm ein.
Das Effizienzdiagramm 600 zeigt, dass sich bei einem mittleren Partikelradius 212 der in das lichtstreuende Element 150 des optoelektronischen Bauelements 100 eingebetteten lichtstreu- enden Partikel 153 von bis zu 30 nm (erstes Eigenschaftsver¬ hältnis 611) die Werte der optischen Effizienz 602 und der Farbabweichung 601 den herkömmlichen Eigenschaftsverhältnissen 610 annähern, da bei lichtstreuenden Partikeln 153 mit derart kleinem mittleren Partikelradius 212 Licht aller Wellenlängen nur mit geringem Streuquerschnitt 402 gestreut wird. Bei mittleren Partikelradien 212 der lichtstreuenden Partikel 153 des lichtstreuenden Elements 150 von 200 nm (elftes Eigenschaftsverhältnis 621) und mehr nähern sich die Werte der optischen Effizienz 602 und der Farbabweichung 601 ebenfalls den herkömmlichen Eigenschaftsverhältnissen 610 an, da der Streuquerschnittverhältnisverlauf 510 in diesem Fall dem Grenzwert 1 zustrebt, Licht aller Wellenlängen also mit etwa demselben Streuquerschnitt 402 gestreut wird. Falls die in das licht¬ streuende Element 150 des optoelektronischen Bauelements 100 eingebetteten lichtstreuenden Partikel 153 jedoch einen mittleren Partikelradius 212 aus dem mittleren Partikelradi¬ usbereich 301 von 40 nm bis 150 nm aufweisen, lässt sich gleichzeitig eine geringere Farbabweichung 601 und eine höhere optische Effizienz 602 des optoelektronischen Bauelements 100 erreichen als dies bei einem optoelektronischen Bauelement mit einem lichtstreuenden Element mit eingebetteten lichtstreuenden Partikeln mit einer breiten Größenverteilung der Fall ist. Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugs zeichenliste
100 optoelektronisches Bauelement
101 Oberseite
102 Unterseite
110 Träger
120 Rahmen
130 optoelektronischer Halbleiterchip
131 Oberseite
132 Unterseite
140 Konverterelement
141 Oberseite
142 Unterseite
143 Leuchtstoff
150 lichtstreuendes Element
151 Oberseite
152 Unterseite
153 lichtstreuendes Partikel 200 Größenverteilungsdiagramm
201 Partikelradius
202 relative Häufigkeit
210 Größenverteilung
211 Halbwertbreite
212 mittlerer Partikelradius
300 Rückstreudiagramm
301 mittlerer Partikelradiusbereich (40 nm bis 150 nm)
302 Rückstreuquerschnitt
310 erster Rückstreuquerschnittverlauf (440 nm)
320 zweiter Rückstreuquerschnittverlauf (580 nm)
400 Streudiagramm
402 Streuquerschnitt
410 erster Streuquerschnittverlauf (440 nm)
420 zweiter Streuquerschnittverlauf (580 nm)
500 Streuverhältnisdiagramm Streuquerschnittsverhältnis
Streuquerschnittsverhältnisverlauf (410/420) Rückstreuquerschnittsverhältnisverlauf (310/320) Effizienzdiagramm
Farbabweichung
optische Effizienz
herkömmliches Eigenschaftsverhältnis
erstes Eigenschaftsverhältnis (30 nm)
zweites Eigenschaftsverhältnis (40 nm)
drittes Eigenschaftsverhältnis (50 nm)
viertes Eigenschaftsverhältnis (60 nm)
fünftes Eigenschaftsverhältnis (70 nm)
sechstes Eigenschaftsverhältnis (80 nm)
siebtes Eigenschaftsverhältnis (90 nm)
achtes Eigenschaftsverhältnis (100 nm)
neuntes Eigenschaftsverhältnis (120 nm)
zehntes Eigenschaftsverhältnis (150 nm)
elftes Eigenschaftsverhältnis (200 nm)

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (100)
mit einem optoelektronischen Halbleiterchip (130), einem über dem optoelektronischen Halbleiterchip (130) angeordneten Konverterelement (140), das dazu ausgebildet ist, eine Wellenlänge eines von dem optoelektronischen Halbleiterchip (130) emittierten Lichts zu konvertieren, und einem über dem Konverterelement (140) angeordneten lichtstreuenden Element (150), das eingebettete licht¬ streuende Partikel (153) aufweist, wobei die lichtstreuenden Partikel (153) eine Größenver¬ teilung (210) mit einer Halbwertbreite (211) von weniger als 100 nm aufweisen.
2. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß Anspruch 1,
wobei die lichtstreuenden Partikel (153) eine Größenver¬ teilung (210) mit einer Halbwertbreite (211) von weniger als 50 nm aufweisen, bevorzugt eine Größenverteilung (210) mit einer Halbwertbreite (211) von weniger als 20 nm.
3. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die lichtstreuenden Partikel (153) einen durchschnittlichen Radius (212) zwischen 30 nm und 200 nm aufweisen, bevorzugt einen durchschnittlichen Radius (212) zwischen 40 nm und 150 nm, besonders bevorzugt einen durchschnittlichen Radius (212) zwischen 40 nm und 100 nm.
4. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die lichtstreuenden Partikel (153) Ti02, AI2O3, S13N4, A1N, GaN, ZnO oder ein Glas aufweisen.
5. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei das lichtstreuende Element (150) ein optisch trans¬ parentes Material aufweist, wobei die lichtstreuenden Partikel (153) in das optisch transparente Material ein¬ gebettet sind.
6. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei das lichtstreuende Element (150) Silikon aufweist.
7. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei das lichtstreuende Element (150) eine Dicke zwischen 5 ym und 200 ym aufweist.
8. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei das Konverterelement (140) einen eingebetteten
Leuchtstoff (143) aufweist.
9. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei der optoelektronische Halbleiterchip (130) ausgebildet ist, Licht mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 500 nm zu emittieren.
10. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei das Konverterelement (140) ausgebildet ist, von dem optoelektronischen Halbleiterchip (130) emittiertes Licht in Licht mit einer Wellenlänge zwischen 500 nm und 800 nm zu konvertieren .
11. Optoelektronisches Bauelement (100) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei der optoelektronische Halbleiterchip (130) ein
Leuchtdiodenchip ist.
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